Transformadores de Potencia, Transformadores de Medida y Sus Aplicaciones.

Universidad del Valle. Yela. Transformadores de potencia, transformadores de medida y sus aplicaciones.

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Transformadores de potencia, transformadores de medida y sus aplicaciones (13 Marzo 2013)

Resumen— Los transformadores de potencia, en conjunto con

protectores en circuitos de alta tensión o de elevada corriente, permitiendo un manejo más fácil de estos voltajes voltajes o corrientes

J. Yela Tecnología Electrónica, Universidad del Valle Santiago de Cali, Colombia [email protected]

los trans transfor formad mador ores es de medic medición ión cump cumplen len un papel papel muy importante para el sistema de distribución eléctrica en todo el mundo, mundo, pero cada cada uno tiene también también otras otras aplicaci aplicacione oness al trabajar trabajar como como es el caso caso de los transforma transformador dores es de potenc potencia ia para para sist sistem emas as se alim alimen enta taci ción ón de moto motore res, s, o para para los los transformadore transformadoress de medición hacer sistema de control control de datos medid medidos os,, esto estoss dos dos tipos tipos de trans transfor forma mado dore ress son son muy muy impor importan tante te y se cono conoce cerá rá en este este docu docume mento nto parte parte de sus sus características y funcionamiento en algunas aplicaciones.

qu quee a la ho hora ra de medirl medirlos os en una form formaa dire direct ctaa se hace hace complicado o en ocasiones imposibles imposibles de hacerlo. h acerlo. II. TRANSFORMADORES DE POTENCIA Un transformador de potencia es aquel que maneja grandes magnitudes de voltio-amperios VA, los cuales se expresan en KVA KV A [kil [kiloo vo volt ltio io ampe amperi rios os]] o en MVA MVA [meg [megaa vo volltio tio amperios].

I. I NTRODUCCIÓN NTRODUCCIÓN Usualm Usualmente ente se consi consider deraa un transfo transforma rmador dor de potenc potencia ia N transformador es un dispositivo eléctrico que permite cuando su capacidad es de un valor a partir de: 500 KVA, elevar o disminuir la tensión en CA simplemente con 75 7500 KV KVA, A, 10 1000 00 KV KVA, A, 12 1250 50 KVA o 1.25 1.25 MVA, MVA, hasta hasta una una rela relaci ción ón de tran transf sfor orma maci ción ón dado dado po porr un par par de potencias del orden de 500 MVA monofásicos y de 650 MVA embobinados alrededor de un núcleo que por lo general es de trifás trifásico icos, s, 900 MVA. MVA. Estos Estos último últimoss ope operan ran en nivele niveless de hierro (material ferromagnético), estos cambios en los niveles voltaje de 500 KV, 525 KV y superiores. de tens tensió iónn ocur ocurren ren grac gracias ias al fenó fenóme meno no de induc inducci ción ón electr electroma omagné gnétic tica, a, deb debido ido a su gran funcio funcionali nalidad dad y gran gran Gen Genera eralme lmente nte estos estos transf transforma ormador dores es están están instala instalados dos en numero de aplicaciones del transformador , existen varios subestac subestaciones iones para la distribuci distribución ón de la energía energía eléctrica eléctrica.. tipos de ellos de los cuales en este documento hablaremos de Efec Efectu tuand andoo la tare tareaa inte interm rmed ediad iadora ora entr entree las las grand grandes es dos, dos, los transf transform ormador adores es de potenc potencia ia los cuales cuales pue pueden den cent central rales es de gener generac ació iónn y los los usua usuari rios os do domi mici cili liar ario ioss o manejar manejar grandes magnitudes del voltio-a voltio-amperio mperioss VA, son industri industriale ales; s; que consi consiste ste en reduci reducirr los los altos altos nivele niveless de cons consid ider erad ados os trans transfo form rmad ador ores es de po pote tenc ncia ia cuan cuando do su voltaje [con el cual es transmitida la energía] a magnitudes de capac capacidad idad es de un valor valor a partir partir de los 500KVA, 500KVA, estos estos vo volt ltaj ajee infe inferi rior ores es,, qu quee perm permit iten en deri deriva varr circ circuit uitos os a los los transformador transformadores es tienes tienes unas característica característicass importantes importantes en usuarios en medias o bajas tensiones. cuanto a su forma física y a las protecciones que deben de Tambié Tambiénn se da una aplica aplicació ciónn simila similar, r, en las grandes grandes tener debido a las grandes cantidades de potencia que estos central centrales es de genera generación ción,, don donde de los transf transform ormador adores es de pueden ofreces, ofreces, el segundo transformador del cual se hablara potencia, elevan los niveles de voltaje de la energía generada a lo largo de este documento son los transformadores de a magni magnitud tudes es de vo volt ltaj ajee supe superi rior ores es,, con con el ob obje jeto to de medi medida da cons consid ider erad ados os como como un unoo de los los elem elemen ento toss más más transportar la energía eléctrica en las líneas de transmisión. importantes importantes para instalar instalar instrumentos instrumentos , contadores contadores y relés

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Las ayudas económicas deben agradecerse aquí. Ejemplo: Este trabajo ha sido apoyado por el CoSNET (Consejo del Sistema Nacional de Educación Tecnológica de México) a través del proyecto 916.99. Por exigencias del Xplore, los autores deben aparecer tras el título con un único apellido (primero o segundo) precedido por las iniciales del nombre (y apellido primero primero si así se desea desea y se ha utilizado utilizado el segundo segundo entero entero)) seguidas seguidas de puntos puntos y separadas por espacios. Se indicará su grado de afiliación al IEEE si lo hubiera Associate IEEE , Afiliate Afiliate IEEE , Student IEEE Student IEEE , Member IEEE , Senior IEEE , ( Associate Fellow Fellow IEEE ). ). En las biografías finales deben usarse los nombres y uno o dos apellidos enteros. En las afiliaciones laborales de este pie se usarán las mismas iniciales y apellido que tras el título, y no con todo en mayúsculas. S. Martínez y J. V. Míguez imparten docencia en el Departamento de Ingeniería Eléctrica, Electrónica y de Control de la Universidad Nacional de Educació Educaciónn a Distanc Distancia, ia, C/ Juan del Rosal Rosal 12, 28040 Madrid (correos (correos e.: [email protected];; jmigu [email protected] jmiguez@iee [email protected] c.uned.es .es). ). E. Rey trabaja en Mundo Electrónico, C/ Enrique Granados 7, 08007 Barcelona (correo e.: [email protected] [email protected]). ). 

Fig. 1. Sistema de distribución distribución eléctrica en una ciudad, podemos podemos apreciar el uso de varios transformadores de potencia a los largo del circuito.

Transformadores de potencia, transformadores de medida y sus aplicaciones.

Universidad del Valle. Yela. Transformadores de potencia, transformadores de medida y sus aplicaciones. Otros transformadores de potencia, realizan una función dedicada o cautiva, cuando alimentan un solo equipo exclusivamente. Por ejemplo en una industria pesada, un transformador toma energía a nivel de 34.500 Voltios (34,5 KV) y la transforma a 4.160 Voltios (4.16 KV), para alimentar un motor especial de 5.000 caballos (HP).

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superficie de contacto entre el aceite y el aire, lo que alarga la vida útil del aceite. Por otra parte, la entrada de aire al depósito de expansión suele realizarse a través de un pequeño depósito de silicagel o gel de silice que lo deseca, mejorando así la conservación del aceite de la cuba. En efecto, el gel de silice es una sustancia que se presenta en forma de bolitas y que muestra una gran capacidad para absorber la humedad del aire. El depósito de expansión incluye un nivel de aceite, que consiste en una ventana o en un tubo de cristal que permite vigilar que el nivel del aceite sea el adecuado.

Fig. 3. Silicegel o gel de sílice utilizado para el desecado y mejorar la conservación del aceite. Fig. 2. Transformador de Potencia usado en una subestación eléctrica para distribución de servicios público, se puede ver su sistema de refrigeración (tambor en la parte superior).

En la parte superior del depósito de expansión esta el tapón de llenado del aceite, mientras que en la parte inferior de la cuba se encuentra el grifo de vaciado.

Se construyen en potencias normalizadas desde 1.25 hasta 20 MVA, en tensiones de 13.2, 33, 66 y 132 kV y frecuencias de 50 y 60 Hz. Debido a la potencia que estos transformadores manejan del orden de los 500 KVA, 750 KVA, 1000 KVA, 1250 KVA o 1.25 MVA, hasta potencias del orden de 500 MVA monofásicos y de 650 MVA trifásicos, 900 MVA, estos los hace muy costosos y de mucho cuidado, en cuanto a disipación de calor, protección de cortocircuito y de mas cuidados previos a su disposición. Para potencias altas tradicionalmente se han empleado los transformadores en baño de aceite, los cuales tienen su parte activa (núcleo magnético y devanados) en el interior de una cuba llena de aceite mineral o aceite de siliconas estos aceites son considerados contaminantes ambientales empresas como ABB están usando aceites vegetales para ser mas ecológicos con el medio ambiente. En estos transformadores el aceite se realiza una doble función: aislante y refrigerante. El calor generado por la parte activa del transformador se transmite al aceite y este evacua el calor al aire ambiente a través de la superficie externa de la cuba. Para facilitar la transmisión de calor a través de la cuba ésta posee aletas o radiadores que aumentan su superficie externa. En algunos casos el aceite es refrigerado por otro fluido (por ejemplo, agua) a través de un intercambiador de calor. En su forma clásica, la cuba de un transformador en baño de aceite posee un depósito de expansión o conservador en su parte superior. Este depósito, en forma de cilindro horizontal, sirve para absorber las variaciones de volumen del aceite de la cuba provocadas por el calentamiento de la maquina cuando está funcionando. Además, de esta manera se reduce la

Fig. 4. Transformadores en baño de aceite 1. Deposito de expansión 5. Radiador 2. Tapón de llenado 7.Ventilador para enviar aire al radiador 3. Nivel de aceite 4. Cuba del transformador

Los transformadores en baño de aceite suelen incorporar varios elementos de protección por temperatura, por nivel de aceite, relé Buchholz. E1 relé Buchholz detecta las burbujas de gas que se producen cuando se quema el aceite debido a un calentamiento anormal del transformador. Por lo tanto, este relé permite proteger al transformador de sobrecargas, cortocircuito fallos de aislamiento, entre otros que pueden ocasionar daños irreparables al transformador.



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unidades están proyectadas para montaje sobre postes, algunos de los tamaños de potencia superiores, por encima de las clases de 18 kV, se construyen para montaje en estaciones o en plataformas. Las aplicaciones típicas son para alimentar a granjas, residencias, edificios o almacenes públicos, talleres y centros comerciales, y todos en nuestras vidas hemos visto unos pues se encuentran en toda parte donde exista un fluido eléctrico ya sea residencial o industrial.

Fig. 5. Relé Buchholz instalado en un transformador de potencia.

La Comisión Electrotécnica Internacional (CEI), decreta que el tipo de refrigeración de un transformador se designa mediante cuatro letras. Las dos primeras se refieren al refrigerante primario (el que esté en contacto directo con la parte activa de la maquina) y las dos últimas se refieren al refrigerante secundario (que enfría al refrigerante primario). De cada par de letras, la primera indica de qué fluido se trata y la segunda señal su modo de circulación (Tabla I ).

Fig. 6. Transformador de distribución.

IV. TRANSFORMADORES HERMÉTICOS DE LLENADO I NTEGRAL TABLA I

Designación de la refrigeración de un transformado Tipo de Fluido

Símbolo

Aceite mineral Pyraleno Gas Agua Aire Aislante sólido

O P G W A S

Tipo circulación

Natural Forzada ---------

Símbolo

N F ---------

Estos son los tipos de fluido utilizados normalmente para refrigerar transformadores de potencia, ya se menciono anteriormente que la vida útil de un transformador depende de estos aceites y/o fluido y que algunos de estos aceites pueden llegar a contaminar el medio ambiente así que la tendencia en el uso de estos va por el lado de lo ecológico usando aceites vegetales, uno de los varios beneficios que estos presentan es la reducción de emisiones de CO2, Atóxicos, menor riesgo para el personal que operan en ellos, no inflamable ni explosivo, mayor vida útil, menor generación de desechos, Biodegradable, etc. La empresa ABB es pionera en el uso de estas nuevas tecnologías de refrigeración. Existen diferentes tipos de transformadores de potencia, dependiendo de su propósito y su uso, aunque el sistema de refrigeración por aceite no es el único que es utilizado por la industria. III. T RANSFORMADORES DISTRIBUCIÓN Se denomina transformadores de distribución, generalmente los transformadores de potencias iguales o inferiores a 500 kVA y de tensiones iguales o inferiores a 67 kV, tanto monofásicos como trifásicos. Aunque la mayoría de tales

Fig. 7. Transformador hermético.

Su principal característica es que al no llevar tanque de expansión de aceite no necesita mantenimiento, siendo esta construcción más compacta que la tradicional, al no estar el aceite en contacto con el aire, no absorbe humedad conservando así intactas sus propiedades aislantes, haciendo de este mucho más simple su mantenimiento y por su tamaño es utilizado en lugares de espacio limitado. Se fabrican en potencias normalizadas desde 100 hasta 1000 kVA, tensiones primarias de 13.2, 15, 25, 33 y 35 kV y frecuencias de 50 y 60 Hz. V. TRANSFORMADORES SECOS E NCAPSULADOS EN R ESINA EPOXI. Se utilizan en interior para distribución de energía eléctrica en media tensión, en lugares donde los espacios reducidos y los requerimientos de seguridad en caso de incendio imposibilitan la utilización de transformadores refrigerados en aceite. Son de



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aplicación en grandes edificios, hospitales, industrias, minería, tomar los datos y alimentar instrumentos de medición, grandes centros comerciales y toda actividad que requiera la contactares y/o relés de protección. utilización intensiva de energía eléctrica. Su principal característica es que son refrigerados en aire con La misión de un Transformador de Medida es el dar aislación clase F, utilizándose resina epoxi como medio de información precisa a los sistemas de medida, control y protección de los arrollamientos, siendo innecesario cualquier protección incluida medida fiscal. mantenimiento posterior a la instalación. Se fabrican en potencias normalizadas desde 100 hasta 2500 kVA, Las principales tareas de los Transformadores de Medida son: tensiones primarias de 13.2, 15, 25, 33 y 35 kV y frecuencias de Transformar tensiones e intensidades con valores 50 y 60 Hz. grandes a valores fáciles de manejar por los relés y equipos de medida. Aislar el circuito de medida del sistema primario de VI. T RANSFORMADORES AUTO PROTEGIDOS. alta tensión. Posibilitar la normalización de relés y equipos de El transformador incorpora componentes para protección del medida a unos pocos valores de tensiones e sistema de distribución contra sobrecargas, corto-circuitos en la intensidades nominales. red secundaria y fallas internas en el transformador, para Podemos dividir a estos transformadores como transformador de esto poseee fusibles de alta tensión y disyuntor de baja tensión, corriente y transformador de tensión. montados internamente en el tanque, fusibles de alta tensión y disyuntor de baja tensión. Para protección contra sobretensiones VII. TRANSFORMADORES DE MEDIDA VOLTAJE el transformador está provisto de dispositivo para fijación de pararrayos externos en el tanque. •

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Características

Potencia: 45 a 150KVA Alta Tensión: 15 o 24,2KV Baja Tensión: 380/220 o 220/127V

Fig. 9. Conexion de un transformador de voltaje para medición.

Fig. 8. Transformador Autoprotegido.

VII. TRANSFORMADORES DE MEDIDA Los transformadores de medida son transformadores que convierten corriente y tensión de manera proporcional y en fase en corrientes y tensiones medibles y normalizadas, ya que medir directamente tensiones elevadas exigiría de un voltimimetro con unos aislamientos muy grandes y, además sería peligroso que alguien se acercara a el transformador o fuente para realizar lecturas de sus indicaciones, por esta razón, para tomar medidas ya sea de tensiones elevadas o corrientes elevadas se utilizan transformadores de medida, haciendo así más fácil, económico, seguro y practico poder

Un ejemplo del funcionamiento de un transformador de medición de Voltaje seria si se desea medir una tensión alterna de 10kV se puede utilizar un voltímetro de 110V y un transformador de tensión de relación de transformación de 10000/110 V (es decir, cuando el circuito está a 10000 V, el transformador de tensión suministra 110 V al voltímetro). Las lecturas que se realicen con este voltímetro habrá que multiplicarlas por 10000/ ll0 para obtener el valor de la tensión medida. La tensión asignada secundaria de los transformadores de tensión (la que se suministra al voltímetro) suele ser de 110 V. Análogamente, para la medida de corrientes alternas elevadas o de corrientes alternas en circuitos de alta tensión se utilizan transformadores de intensidad.



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Así, por ejemplo, un transformador de intensidad de protección es capaz de detectar cortocircuitos y sobrecargas en los que las corrientes son varias veces superiores a la asignada; sin embargo, un transformador de intensidad de medida limita el valor máximo de corriente que suministra por su secundario cuando la corriente primaria empieza a ser grande para así proteger al aparato de medida que esté conectado a su secundario.

Fig. 10. Transformador de Tensión según normas DIN

VII. TRANSFORMADORES DE MEDIDA INTENSIDAD Supongamos que se desea medir una intensidad de 500 A se pueden utilizar un amperímetro de 5 A y un transformador de intensidad de relación de transformación 500/5 A (es decir cuando circulen 500 A por el circuito, el transformador de intensidad suministra 5 A al amperímetro). Las lecturas que se realicen con este amperimetro habrá que multiplicarlas por Fig. 11. Conexion de un transformador de corriente. 500/5 para obtener la intensidad medida. La intensidad secundaria de los transformadores de intensidad (la que suministran alamperímetro) suele ser 5 ó 1 A. No es conveniente utilizar los transformadores de medida (tanto de tensión, como de intensidad) para medir magnitudes cuyos valores difieran mucho de los valores asignadas del primario de estos transformadores, pues se pierde precisión en la medida. Los transformadores de medida permiten aislar galvánicamente el circuito que se está midiendo de los aparatos de medida. De esta forma, los aparatos de medida se encuentran sometidos a una tensión respecto a tierra menos peligrosa y, por consiguiente, más segura para las personas que se acerquen a leer sus indicaciones. Se recomienda poner a tierra uno de los terminales del secundario del transformador de medida. Con los transformadores de intensidad hay que tener cuidado de no dejar nunca el secundario abierto (es decir, desconectado), pues puede dar lugar a sobretensiones peligrosas. Los transformadores de protección (de tensión y de corriente) son similares a los de medida, pero su secundario no alimenta aparatos de medida sino aparatos de protección, tales Como: relés magnetotérmicos, relés diferenciales, etc. Los transformadores de medida cometen un error menor que los de protección, siempre que estén midiendo magnitudes (corrientes en los transformadores de intensidad y tensiones en los transformadores de tensión) cuyo valor no difiera excesivamente del asignado. El error de medida en los transformadores de protección es mayor que en los transformadores de medida funcionando con la magnitud asignada, pero se conserva dentro de unos valores razonables para magnitudes cuyo valor es muy diferente del asignado.

Fig. 12. Diferentes transformadores de corriente.

V. CONCLUSIONES Los transformadores son el corazón de un sin número de aplicaciones, se encuentran por doquier y su importancia en irrefutable, en el documento anterior, se vio algunas de sus aplicaciones y se logro entender un poco más de su funcionamiento y de cómo se usa en nuestra vida diaria, sin ellos lo que conocemos, el sistema económico, social, nuestra sociedad y organización no sería igual.


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Wikipedia enciclopedia libre Articulo de Transformadores: http://es.wikipedia.org/wiki/Transformador#Transformadores_de_medida. Universidad de Cantabria, Departamento de Ingeniería Electrica y Energética, Transformadore: http://personales.unican.es/rodrigma/PDFs/Trafos.pdf Articulo en línea de transformadores de medida Blogspot: http://ingenieriaelectricaexplicada.blogspot.com/2010/03/transformadores -de-medida-de-mt.html ABB en colombia Transformadores de Medida Disponible en: http://www.abb.com.co/product/es/9AAC710006.aspx RITS Instrument Transformers Articulo de tranformadres de media Disponible en: http://www.ritzinternational.com/fileadmin/pictures/cms/pdf/downloads/RITZ%20%20Transformadores%20de%20medida%20en%20media%20tensi%F3n %20-%20Rev_Feb_2010.pdf


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